一种磁随机存储系统及其读取操作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种磁随机存储系统及其读取操作方法；提供一个K-位数据STT-MRAM存储器的系统结构和电路以及其读取操作方法。该方法和系统包括K个存储模块，一个字地址驱动器和一个列地址驱动器，K个信号放大器以及一个K-位数据总线；本发明专利技术为K-位数据STT-MRAM存储系统设计一个高磁阻参考信号产生器(H)和一个低磁阻参考信号产生器(L)共同产生一个参考输出电流信号Ihf＝(Il+Ih)/2为K个信号放大器提供差分参考输入信号以减少电路面积和功耗，在读出数据被锁存在信号放大器中后，关闭K个存储模块以减少功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种磁随机存储系统及其读取操作方法
本专利技术属于半导体，集成电路芯片设计
，更具体地，涉及一种磁随机存储系统及其读取操作方法。
技术介绍
自旋转移力矩磁阻式随机存储器(SpinTorqueTransferMagneticRandomAccessMemory，STT-MRAM)是一项跨学科的复杂系统开发的综合工程，学科跨度大，工程复杂性高，它概括了物理，材料学科，电子工程和半导体科学，以及磁性学科等多门学科领域。磁随机存储器是由特殊的磁性材料制成极小尺寸的磁元体，并将磁元体集成到半导体工艺中制成磁随机存储芯片，第一代磁随机存储器(MRAM)是在多个磁元体组成，每个磁元体附近有两根导线，在写操作时，电流通过导线产生两个磁场，该磁元体在磁场作用下改变磁体中磁极方向，通过导线的较大的电流可以有两个相反的方向，使得磁体中呈现两个不同磁极方向，从而达到两种不同的磁阻值状态：低磁阻状态为“0”，高磁阻状态为“1”；由于磁场会对临近的磁元体产生作用，使得这些磁元体状态不稳定，随着半导体工艺提高每个存储单元的尺寸越来越小，基于这些磁元体的存储单元更加不稳定。自旋转移力矩磁阻式随机存储器(STT-MRAM)同样基于磁元体，但它们的此材料与结构与第一代不同，第二代磁存储器(STT-MRAM)依靠自旋动量转移写入信息，它完全不同于传统的第一代存储器(MRAM)，它是将一个更小的电流直接流过这个磁元体(MTJ)使其改变状态，电流通过MTJ的方向不同是其呈现“0”和“1”状态，由于没有磁场的干扰，磁元体状态更加稳定，每个存储单元的尺寸可以越来越小。同时也简化的电路设计和减小功耗，写入每个数据位所需的功耗比MRAM低一个数量级。与闪存(FlashMemory)相比，STT-MRAM的写入/读取性能更佳，因为它的写入数据时不要求高电压，耗电量低，写入/读取时间极短，同时保持闪存所具有的非挥发特性，既能够在关掉电源后仍可以保持锁存储内容的完整性，此外，由于改变磁化方向的次数没有限制，因此写入次数也为无限次。STT-MRAM拥有静态随机存储器(StaticRandomAccessMemory，SRAM)的高速读取写入能力和动态随机存储器(DynamicRandomAccessMemory，DRAM)的高集成度，而且可以无限次地重复擦写。STT-MRAM无需动态刷新，能够在非激活状态下关闭，可以大幅降低系统功耗。STT-MRAM具有高速存取功能。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种磁随机存储系统及其读取操作方法，其目的在于产生用于STT-MRAM存储系统中差分信号放大器所需的参考信号以及读操作控制电路和方法来减少功耗。本专利技术提供了一种磁随机存储系统，包括K个存储模块，K个信号放大器SA，一个参考信号产生器，字地址控制驱动器，列地址控制驱动器以及读控制器：所述字地址控制驱动器用于在控制信号RDCTL的控制下根据字译码地址WDEC<1:m>输出m路字地址译码控制信号WLN<1:m>；所述列地址控制驱动器用于在控制信号RDCTL的控制下根据列译码地址CDEC<1:n>输出n路列地址译码控制信号CS<1:n>；所述读控制器的第一输入端用于接收读操作控制信号RDEN，所述读控制器的第二输入端用于接收K个信号放大器反馈的完成信号DONE，所述读控制器用于根据所述读操作控制信号RDEN和所述完成信号DONE输出控制信号RDCTL；所述K个存储模块依次为第一存储模块，第二存储模块，……第K/2存储模块，第(K/2+1)存储模块，……第K存储模块；其中，所述第一存储模块的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN<1：m>，所述第一存储模块的第二输入端用于接收n路列地址译码控制信号CS<1：n>，所述第一存储模块的第三输入端用于接收限流CLMP信号，所述第一存储模块的第四输入端用于接收控制信号RDCTL；所述第二存储模块的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN<1：m>，所述第二存储模块的第二输入端用于接收n路列地址译码控制信号CS<1：n>，所述第二存储模块的第三输入端用于接收CLMP信号，所述第二存储模块的第四输入端用于接收控制信号RDCTL；……依此类推，所述第K存储模块的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN<1：m>，所述第K存储模块的第二输入端用于接收n路列地址译码控制信号CS<1：n>，所述第K存储模块的第三输入端用于接收CLMP信号，所述第K存储模块的第四输入端用于接收控制信号RDCTL；所述参考信号产生器的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN<1：m>，所述参考信号产生器的第二输入端用于接收外部控制信号REF，所述参考信号产生器的第三输入端用于接收限流控制信号CLMP，所述参考信号产生器的第四输入端用于接收控制信号RDCTL；所述参考信号产生器包括高磁阻参考信号产生器H和低磁阻参考信号产生器L，所述高磁阻参考信号产生器用于产生第一路参考信号ORFh，所述低磁阻参考信号产生器用于产生第二路参考信号ORFh；所述K个信号放大器SA依次为第一信号放大器，第二信号放大器，……第K/2信号放大器，第(K/2+1)信号放大器，……第K信号放大器；其中，所述第一信号放大器的第一输入端连接至所述第一存储模块的数据输出端，所述第二信号放大器的第一输入端连接至所述第二存储模块的数据输出端，……依此类推，所述第K信号放大器的第一输入端连接至所述第K存储模块的数据输出端；所述第一信号放大器的第二输入端、所述第二信号放大器的第二输入端、……第K/2信号放大器的第二输入端均连接所述第一路参考信号ORFh和所述第二路参考信号ORFh中的任意一路参考信号；所述第K/2+1信号放大器的第二输入端、第K/2+2信号放大器的第二输入端、……第K信号放大器的第二输入端均连接所述第一路参考信号ORFh和所述第二路参考信号ORFh中的另一路参考信号；K个信号放大器的使能端En均用于接收启动信号SAEN；K个信号放大器的输出端用于输出K位数据。更进一步地，所述高磁阻参考信号产生器和所述低磁阻参考信号产生器的结构相同，且所述高磁阻参考信号产生器的第一输出端Con与所述低磁阻参考信号产生器的第一输出端Con相连，所述高磁阻参考信号产生器的第二输出端用于输出所述第一路参考输出信号ORFh，所述低磁阻参考信号产生器的第二输出端用于输出所述第二路参考输出信号ORFh。更进一步地，高磁阻参考信号产生器包括参考电流源、参考限流器、参选器以及m个参考单元；每个参考单元的输入端通过参考位线rf连接至所述参选器的一端，每个参考单元的输出端接地；所述参选器的另一端通过连接线CON与所述参考限流器的一端相连；参考限流器的另一端通过参考线rl与所述可控参考电流源的一端连接，所述可控参考电流源的另一端与通用电压源VDD相连；所述可控参考电流源的控制端用于连接控制信号RDCTL，所述参考限流器的控制端用于连接限流控制信号CLMP；所述可控参考电流源与所述参考限流器的连接端作为信号输出端ORFh；m个参考单元的控制端分别连接m本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁随机存储系统，其特征在于，包括K个存储模块，K个信号放大器SA，一个参考信号产生器，字地址控制驱动器，列地址控制驱动器以及读控制器：所述字地址控制驱动器用于在控制信号RDCTL的控制下根据字译码地址WDEC<1:m>输出m路字地址译码控制信号WLN<1:m>；所述列地址控制驱动器用于在控制信号RDCTL的控制下根据列译码地址CDEC<1:n>输出n路列地址译码控制信号CS<1:n>；所述读控制器的第一输入端用于接收读操作控制信号RDEN，所述读控制器的第二输入端用于接收K个信号放大器反馈的完成信号DONE，所述读控制器用于根据所述读操作控制信号RDEN和所述完成信号DONE输出控制信号RDCTL；所述K个存储模块依次为第一存储模块，第二存储模块，……第K/2存储模块，第(K/2+1)存储模块，……第K存储模块；其中，所述第一存储模块的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN<1：m>，所述第一存储模块的第二输入端用于接收n路列地址译码控制信号CS<1：n>，所述第一存储模块的第三输入端用于接收限流CLMP信号，所述第一存储模块的第四输入端用于接收控制信号RDCTL；所述第二存储模块的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN<1：m>，所述第二存储模块的第二输入端用于接收n路列地址译码控制信号CS<1：n>，所述第二存储模块的第三输入端用于接收CLMP信号，所述第二存储模块的第四输入端用于接收控制信号RDCTL；……依此类推，所述第K存储模块的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN<1：m>，所述第K存储模块的第二输入端用于接收n路列地址译码控制信号CS<1：n>，所述第K存储模块的第三输入端用于接收CLMP信号，所述第K存储模块的第四输入端用于接收控制信号RDCTL；所述参考信号产生器的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN<1：m>，所述参考信号产生器的第二输入端用于接收外部控制信号REF，所述参考信号产生器的第三输入端用于接收限流控制信号CLMP，所述参考信号产生器的第四输入端用于接收控制信号RDCTL；所述参考信号产生器包括高磁阻参考信号产生器H和低磁阻参考信号产生器L，所述高磁阻参考信号产生器用于产生第一路参考信号ORFh，所述低磁阻参考信号产生器用于产生第二路参考信号ORFh；所述K个信号放大器SA依次为第一信号放大器，第二信号放大器，……第K/2信号放大器，第(K/2+1)信号放大器，……第K信号放大器；其中，所述第一信号放大器的第一输入端连接至所述第一存储模块的数据输出端，所述第二信号放大器的第一输入端连接至所述第二存储模块的数据输出端，……依此类推，所述第K信号放大器的第一输入端连接至所述第K存储模块的数据输出端；所述第一信号放大器的第二输入端、所述第二信号放大器的第二输入端、……第K/2信号放大器的第二输入端均连接所述第一路参考信号ORFh和所述第二路参考信号ORFh中的任意一路参考信号；所述第K/2+1信号放大器的第二输入端、第K/2+2信号放大器的第二输入端、……第K信号放大器的第二输入端均连接所述第一路参考信号ORFh和所述第二路参考信号ORFh中的另一路参考信号；K个信号放大器的使能端En均用于接收启动信号SAEN；K个信号放大器的输出端用于输出K位数据。...

【技术特征摘要】
1.一种磁随机存储系统，其特征在于，包括K个存储模块，K个信号放大器SA，一个参考信号产生器，字地址控制驱动器，列地址控制驱动器以及读控制器：所述字地址控制驱动器用于在控制信号RDCTL的控制下根据字译码地址WDEC<1:m>输出m路字地址译码控制信号WLN<1:m>；所述列地址控制驱动器用于在控制信号RDCTL的控制下根据列译码地址CDEC<1:n>输出n路列地址译码控制信号CS<1:n>；所述读控制器的第一输入端用于接收读操作控制信号RDEN，所述读控制器的第二输入端用于接收K个信号放大器反馈的完成信号DONE，所述读控制器用于根据所述读操作控制信号RDEN和所述完成信号DONE输出控制信号RDCTL；所述K个存储模块依次为第一存储模块，第二存储模块，……第K/2存储模块，第(K/2+1)存储模块，……第K存储模块；其中，所述第一存储模块的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN<1：m>，所述第一存储模块的第二输入端用于接收n路列地址译码控制信号CS<1：n>，所述第一存储模块的第三输入端用于接收限流CLMP信号，所述第一存储模块的第四输入端用于接收控制信号RDCTL；所述第二存储模块的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN<1：m>，所述第二存储模块的第二输入端用于接收n路列地址译码控制信号CS<1：n>，所述第二存储模块的第三输入端用于接收CLMP信号，所述第二存储模块的第四输入端用于接收控制信号RDCTL；……依此类推，所述第K存储模块的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN<1：m>，所述第K存储模块的第二输入端用于接收n路列地址译码控制信号CS<1：n>，所述第K存储模块的第三输入端用于接收CLMP信号，所述第K存储模块的第四输入端用于接收控制信号RDCTL；所述参考信号产生器的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN<1：m>，所述参考信号产生器的第二输入端用于接收外部控制信号REF，所述参考信号产生器的第三输入端用于接收限流控制信号CLMP，所述参考信号产生器的第四输入端用于接收控制信号RDCTL；所述参考信号产生器包括高磁阻参考信号产生器H和低磁阻参考信号产生器L，所述高磁阻参考信号产生器用于产生第一路参考信号ORFh，所述低磁阻参考信号产生器用于产生第二路参考信号ORFh；所述K个信号放大器SA依次为第一信号放大器，第二信号放大器，……第K/2信号放大器，第(K/2+1)信号放大器，……第K信号放大器；其中，所述第一信号放大器的第一输入端连接至所述第一存储模块的数据输出端，所述第二信号放大器的第一输入端连接至所述第二存储模块的数据输出端，……依此类推，所述第K信号放大器的第一输入端连接至所述第K存储模块的数据输出端；所述第一信号放大器的第二输入端、所述第二信号放大器的第二输入端、……第K/2信号放大器的第二输入端均连接所述第一路参考信号ORFh和所述第二路参考信号ORFh中的任意一路参考信号；所述第K/2+1信号放大器的第二输入端、第K/2+2信号放大器的第二输入端、……第K信号放大器的第二输入端均连接所述第一路参考信号ORFh和所述第二路参考信号ORFh中的另一路参考信号；K个信号放大器的使能端En均用于接收启动信号SAEN；K个信号放大器的输出端用于输出K位数据。2.如权利要求1所述的磁随机存储系统，其特征在于，所述高磁阻参考信号产生器和所述低磁阻参考信号产生器的结构相同，且所述高磁阻参考信号产生器的第一输出端Con与所述低磁阻参考信号产生器的第一输出端Con相连，所述高磁阻参考信号产生器的第二输出端用于输出所述第一路参考输出信号ORFh，所述低磁阻参考信号产生器的第二输出端用于输出所述第二路参考输出信号ORFh。3.如权利要求2所述的磁随机存储系统，其特征在于，所述高磁阻参考信号产生器包括参考电流源(100)、参考限流器(101)、参选器(102)以及m个参考单元(2)；每个参考单元(2)的输入端通过参考位线rf连接至所述参选器(102)的一端，每个参考单元(2)的输出端接地；所述参选器(102)的另一端通过连接线CON与所述参考限流器(101)的一端相连；参考限流器(101)的另一端通过参考线rl与所述参考电流源(100)的一端连接，所述参考电流源(100)的另一端与通用电压源VDD相连；所述参考电流源(100)的控制端用于连接控制信号RDCTL，所述参考限流器(101)的控制端用于连接限流控制信号CLMP；所述参考电流源(100)与所述参考限流器(101)的连接端作为信号输出端ORFh；m个参考单元(2)的控制端分别连接m条字线，依次为wl<1>到wl<m>，m条字线分别控制m个参考单元，每个参考单元(2)由相对应的字线wl控制并只在读操作中产生参考电流。4.如权利要求3所述的磁随机存储系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗逍，李占杰，刁治涛，
申请(专利权)人：湖北中部慧易数据科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42